阎培渝：低碳混凝土

文摘 2024-11-03 07:03 河南

我国目前的环保目标为实现二氧化碳排放量截至2030年达到峰值，2060年前实现碳中和(30·60目标)。为了达到这一目标，2021年10月，《2030年前碳达峰行动计划》发布。其中，“推动建材行业碳达峰”章节指出，要“加强新型胶凝材料、低碳混凝土、木竹建材等低碳建材产品研发应用”。胶凝材料的主要成分是混凝土，木竹建材在我国的应用并不多。所以，我国建材行业实现碳达峰的主要措施中，混凝土的制备与使用至关重要，即我们需要生产“低碳混凝土”。

“低碳混凝土”目前更多是一个概念，其定义并不是很清晰。中国建筑材料联合会发布的团体标准T/CBMF27-2018《预拌混凝土低碳产品评价方法及要求》规定了预拌混凝土低碳产品的碳排放量限值。预拌混凝土低碳产品评价从生命周期角度，依据碳足迹原理，对评价计算范围界定为“从摇篮到大门”，从原材料生产、运输生产直至预拌混凝土产品出厂等整个生产过程，不包括混凝土的使用过程。

2024年地方专业协会负责人联谊会上，中国混凝土与水泥制品协会副会长王肇嘉在《低碳混凝土现状及发展趋势》专题报告中指出，“低碳混凝土”的特征是在保证混凝土作为工程材料基本的安全性和耐久性前提下，使用低熟料因子水泥、低碳排放水泥，提高固体废弃物利用率，实现高性能和高耐久，生产、施工过程绿色环保，全生命周期低CO₂排放。他给出的“低碳混凝土”定义包含混凝土的生产与使用的全生命周期。建材和运营维护在建筑全过程中占到能耗与碳排放总量的比重约为70%，因此，降低建材和运营维护两大环节的能耗占比至关重要。但是，影响建筑物的运营维护的因素太多，单纯从技术角度难以准确预测。混凝土结构使用过程中，影响碳排放量的因素也难以定量预测，使得混凝土结构全生命周期碳排放量无法准确计算，只能计算混凝土生产过程中的碳排放量。

基于影响混凝土生产过程中的碳排放量可量化因素，可以实现大规模工业化应用的技术途径为降低熟料因子水泥和提高固体废弃物利用率；低碳排放水泥中的高贝利特水泥已实现工业化生产，但应用主要集中于水工大体积混凝土结构工程，在建筑工程中的应用较少。其余的低碳排放水泥尚处于试验室试验阶段，能否工业化生产尚未可知。

为了降低目前用量最大的普通硅酸盐水泥的熟料占比，辅助性胶凝材料的占比应提高。辅助性胶凝材料主要是其他工业行业排放的固体废渣，所以，降低普通硅酸盐水泥的熟料因子就是提高固体废弃物利用率，两者有紧密联系。目前，我国生产的普通硅酸盐水泥的熟料占比大约在60%~65%，加上直接加入混凝土的辅助性胶凝材料量。混凝土所用胶凝材料的水泥熟料占比低于50%。继续降低水泥熟料占比在胶凝材料配制技术上不存在什么困难，能够满足普通混凝土的性能要求。许多公司现在都能生产全固废胶凝材料，完全不使用水泥熟料，也能够配制出性能合格的混凝土。

近期，中建四局和中建西部建设公司研制成功了C30绿色低碳自密实混凝土，并应用于华润置地贵阳九悦综合体建设工程项目。绿色低碳自密实混凝土生产工艺主要包括胶凝材料复配、补偿收缩、外加剂保坍等，在保障混凝土拌和物流动性与自密实性的前提下，有效解决了混凝土的早期收缩开裂问题。所生产的C30低碳自密实混凝土在原材料生产阶段碳排放量仅为134.5kgCO₂/m^{3，远低于T/CBMF27}-2018《预拌混凝土低碳产品评价方法及要求》中低碳混凝土的二氧化碳排放量限值。中建八局工程研究院研发的C50低碳混凝土在京台高速齐河至济南段改扩建工程项目中得到应用，其在常规混凝土中掺入一定比例的硅溶胶、氧化铝等纳米材料，从微观结构上强化水泥石，在保障混凝土强度和耐久性的前提下，大幅提高矿物掺合料用量，减少水泥用量，使混凝土的碳排放量减少约52%。这些绿色低碳混凝土降低碳排放量的具体措施，主要着眼于优化胶凝材料组成，增加辅助性胶凝材料用量，降低硅酸盐水泥用量。浙江清捕零碳公司研发了“二氧化碳微晶化矿化混凝土”技术。该公司宣称在混凝土拌和过程中通过复合相CO2矿化与低碳助剂强化，在混凝土内部产生活性微晶，以达到CO₂高效利用与封存的效果。复合相CO₂矿化对混凝土的早期微晶化作用可以显著提升混凝土强度，有效降低胶凝材料的使用率，可达10%。通过该技术“吸碳”后的混凝土，与传统工艺生产的混凝土相比，每立方米产品减排CO₂达到70kg，全生命周期碳排放减少约20%。该技术并不是在混凝土生产过程中直接通入CO₂气体，从而碳化混凝土，而是预先生产低碳助剂，然后将此助剂加入混凝土。这实际上与在混凝土配合比中加入石灰石微粉类似。现在使用石灰石粉配制混凝土的技术已经趋于成熟，制订有相关产品标准和应用技术规程。使用CO₂气体矿化工业固体废弃物，建材产品可实现工业化生产。所以，清捕零碳公司的技术并不是新技术、新工艺，而且生产流程较为复杂，其经济性如何难以评价。低碳助剂生产过程中消耗的能源和排放的CO₂不知是否计入总体的碳足迹。

常规建筑工程大幅度降低混凝土所用胶凝材料的水泥熟料占比，主要面临以下困难：

(1)标准规范的限制：GB175《通用硅酸盐水泥》是按照组成分类的，各种水泥都有辅助性胶凝材料的种类和最大掺量的限制，辅助性胶凝材料的掺量超出限值即为不合格的水泥产品，不能在市场上销售。基于对低硅酸盐水泥熟料含量的混凝土耐久性的担忧，混凝土产品标准和应用技术规范大多规定了可用的水泥品种和辅助性胶凝材料的最大掺量。混凝土科学的基本理论认为，硅酸盐水泥熟料占比过低，浆体中氢氧化钙含量低，使得浆体孔溶液的pH值降低，导致混凝土易碳化，对钢筋的保护作用降低。因此，混凝土必须掺有一定量的硅酸盐水泥熟料，在胶凝材料生产和使用中限制了混凝土所用胶凝材料的水泥熟料占比的降低幅度。

(2)混凝土性能的变化：混凝土标准规范限制可用的水泥品种和辅助性胶凝材料的最大掺量，是为了确保混凝土的性能符合设计要求。硅酸盐水泥制备的钢筋混凝土结构已有150年以上的使用历史，结构工程师对混凝土性能已经非常熟悉，在现行结构设计规范框架内，能够设计出满足承载力和耐久性要求的结构。如果换用水泥熟料占比很低的胶凝材料，不能确保混凝土结构性能和耐久性。建筑工程首先需要确保质量和安全，对于性能未知的新材料，不会贸然使用。混凝土科学基本理论认为，混凝土中需要掺有一定量的硅酸盐水泥熟料，以保证混凝土的硬化速率，以及孔溶液的碱度。硅酸盐水泥熟料用量过低，将会使混凝土内部孔溶液的碱度下降，导致混凝土容易碳化，不能保护钢筋免于锈蚀。

由于以上这些限制因素，全固废胶凝材料目前推广的难度较大，只能用于混凝土的辅助性胶凝材料，或一些非结构工程，如路基、基坑回填、固化渣土等。由于用量少，生产规模受到限制，企业运转比较困难。

T/CBMF27-2018《预拌混凝土低碳产品评价方法及要求》没有考虑使用再生骨料带来的环保效益。虽然该标准规定再生骨料生产过程中排放的CO₂量为0，但是没有考虑使用再生骨料导致的自然资源使用量减少和垃圾填埋量减少带来的环保效益。再生骨料的原料收集、生产与运输必然消耗能源，所以，其生产过程中排放的CO₂量为0的规定不合理。

为了有效降低混凝土生产过程中的碳排放量，当前切实可行的途径是进一步降低混凝土所用胶凝材料的水泥熟料占比。推进这一技术路线的措施，一是修改混凝土相关标准规范，放宽辅助性胶凝材料的掺量限制。这需要建立在充分掌握混凝土各种性能变化的基础上，尤其涉及混凝土的长期性能表现，为此，建立混凝土性能长期暴露观察站很有必要。在充分掌握胶凝材料各种性能变化规律的基础上，制订以性能主导的胶凝材料产品标准，从而脱离组分的限制。二是修改混凝土结构设计规范。

这需要充分掌握混凝土结构的各种性能变化，应采用低水泥熟料占比的胶凝材料制备各种钢筋混凝土构件，进行构件性能试验；应进行足尺或缩尺结构试验，了解不同组成的胶凝材料制备的混凝土结构性能的变化，从而提出低水泥熟料占比的胶凝材料制备的钢筋混凝土结构设计方法，供结构工程师使用。

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